Silane | |||
Structura silanului. | |||
Identificare | |||
---|---|---|---|
Numele IUPAC | silan | ||
Sinonime |
Tetrahidrură de siliciu, monosilan, silican, hidrură de siliciu |
||
N o CAS | |||
N o ECHA | 100.029.331 | ||
N o EC | 232-263-4 | ||
N o RTECS | VV1400000 | ||
PubChem | 23953 | ||
ChEBI | 29389 | ||
ZÂMBETE |
[SiH4] , |
||
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / H4Si / h1H4 Std. InChIKey: BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N |
||
Aspect | incolor pyrophoric gaz cu un miros neplăcut | ||
Proprietăți chimice | |||
Formula brută | SiH 4 | ||
Masă molară | 32,1173 ± 0,0006 g / mol H 12,55%, Si 87,45%, |
||
Proprietăți fizice | |||
T ° fuziune | −185 ° C | ||
T ° fierbere | −112 ° C | ||
Solubilitate | s' hidroliză rapidă în apă | ||
Masa volumică | 1,44 kg / m 3 la 0 ° C | ||
Limite explozive în aer | 1,4% în volum, 19 g / m 3 | ||
Presiunea saturată a vaporilor |
29 bari la -22 ° C 40,8 bari la -10 ° C 48 bari la -3,5 ° C |
||
Punct critic | 0,242 g / cm 3 la -3,5 ° C sub 48,4 bari | ||
Punct triplu | -186,4 ° C | ||
Termochimie | |||
Δ vap H ° | 12,1 kJ · mol -1 ( 1 atm , -111,9 ° C ) | ||
Proprietăți electronice | |||
1 re energie de ionizare | 11,00 ± 0,02 eV (gaz) | ||
Precauții | |||
SGH | |||
Pericol H220, H280, P210, P377, P381, P403, H220 : Gaz extrem de inflamabil H280 : Conține gaz sub presiune; poate exploda dacă este încălzit P210 : A se păstra departe de căldură / scântei / flăcări deschise / suprafețe fierbinți. - Fumatul interzis. P377 : Scurgerea gazului aprins: Nu stingeți dacă scurgerea nu poate fi oprită în siguranță. P381 : Eliminați toate sursele de aprindere dacă se poate face fără risc. P403 : A se păstra într-un loc bine ventilat. |
|||
WHMIS | |||
A, B6, A : Temperatura critică a gazului comprimat = -3,45 ° C B6 : Material reactiv inflamabil spontan combustibil în contact cu aerul Dezvăluire la 1,0% conform listei de dezvăluire a ingredientelor |
|||
Transport | |||
23 : gaz inflamabil Număr ONU : 2203 : SILAN COMPRESSED Clasa: 2.1 Etichetă: 2.1 : Gaz inflamabil (corespunde grupurilor desemnate cu o majusculă F); Ambalare: - |
|||
Unități de SI și STP, cu excepția cazului în care se prevede altfel. | |||
Silanul este un compus chimic cu formula SiH 4. Apare ca un gaz piroforic incolor cu miros respingător. Analog de siliciu al metanului CH 4, este cel mai simplu dintre hidrurile de siliciu și cel mai simplu dintre compușii din seria silanului , cu formula generală Si n H 2 n +2, care sunt ei înșiși analogi de siliciu ai alcanilor C n H 2 n +2.
Prin extensie, putem vorbi și despre silani pentru a denota în mod colectiv diferiți derivați substituiți ai silanului, cum ar fi tetrametil ortosilicat Si (OCH 3 ) 4, ortosilicat de tetraetil Si (OCH 2 CH 3 ) 4sau triclorosilanului SiHCl 3, sau compuși organosiliciați, cum ar fi dimetilsilanediolul Si (OH) 2 (CH 3 ) 2sau tetrametilsilan Si (CH 3 ) 4.
Deoarece hidrogenul este mai electronegativ decât siliciu (2.2 versus 1.9 pe scala Pauling ), polarizarea a Si - H legătură este opusul celei a C - H legătură (electronegativitatea de carbon . Este de 2.55 pe scara Pauling) . Acest lucru are mai multe consecințe, în special tendința silanului de a forma complexe cu metale de tranziție sau faptul că acesta se aprinde spontan în aer fără a fi nevoie să fie aprins (este piroforic ). Datele de ardere silanic sunt totuși adesea contradictorii deoarece silan în sine este destul de stabil în timp ce pirofor acesteia ar fi în principal din cauza impurităților , cum ar fi formarea de silani mai mari în timpul producției, prin prezența unor urme de umiditate. Și prin catalitice efectele din cele suprafața recipientelor care îl conțin.
În absența oxigenului și a umezelii, silanul se descompune peste 400 ° C în siliciu și hidrogen, care poate fi utilizat pentru depunerea straturilor subțiri de siliciu prin depunere chimică de vapori ( CVD). ).
SiH 4⟶ Si + 2 H 2peste 400 ° C .Reducerea silanului cu un metal alcalin , dizolvat într - un solvent dă derivatul silii corespunzător alcalin. În funcție de solvent, pot avea loc două reacții concurente, de exemplu prima reacție singură în hexametilfosforamidă [(CH 3 ) 2 N] 3 PO(HMPA) și ambele simultan în dimetoxietan CH 3 OCH 2 CH 2 OCH 3, de exemplu aici cu potasiu care dă silanură de potasiu KSiH 3 :
2 SiH 4+ 2 K ⟶ 2 KSiH 3+ H 2 ; SiH 4+ 2 K ⟶ KSiH 3+ KH .Energia Si - H legătură este de aproximativ 384 kJ / mol , care este de aproximativ 20% mai mică decât cea a H - H legătură în hidrogen molecula H 2.. Rezultă că compușii care conțin o astfel de Si - obligațiuni H sunt mai reactive decât H 2. Energia legăturii Si - H este puțin afectată de prezența substituenților pe atomul de siliciu: este astfel egală cu 419 kJ / mol pentru trifluorosilanul SiHF 3, 382 kJ / mol pentru triclorosilanului SiHCl 3și 398 kJ / mol pentru trimetilsilan SiH (CH 3 ) 3.
Silanul este un agent reductor puternic care arde în oxigen , explodează în clor și se hidrolizează rapid în apă bazică ( pH > 7 ) în funcție de reacții:
SiH 4+ 2 O 2⟶ SiO 2+ 2 H 2 O ; SiH 4+ 2 Cl 2⟶ MesSiCI 4+ 2 H 2 ; SiH 4+ 4 H 2 O⟶ Si (OH) 4+ 4 H 2.Pe de altă parte, reacția cu apa pură este foarte lentă: este facilitată în prezența urmelor bazice sau a unui acid puternic .
Silanul este sintetizat conform mai multor metode. Se formează de obicei prin reacția clorurii de hidrogen HCI cu silicida de magneziu Mg 2 Si :
Mg 2 Si+ 4 HCI ⟶ 2 MgCl 2+ SiH 4.Poate fi produs și din siliciu metalurgic în două etape. Siliciul este mai întâi tratat cu acid clorhidric , la aproximativ 300 ° C pentru a produce triclorosilanului SiHCl 3cu hidrogen H 2 :
Si + 3 HCI ⟶ SiHCl 3+ H 2.Triclorosilanului este apoi transformat într - un amestec de siliciu și siliciu tetraclorură MesSiCI 4în prezența unui catalizator :
4 SiHCl 3⟶ SiH 4+ 3 MesSiCI 4.Cele mai frecvent utilizate catalizatori în acest proces sunt halogenuri metalice , în special clorură de aluminiu AICb 3. Aceasta este o redistribuire , care poate fi văzută și ca o disproporționare, deși starea de oxidare a siliciului nu variază (este +4 pentru silan, triclorosilan și tetraclorură de siliciu); cu toate acestea, deoarece clorul este mai electronegativ decât hidrogenul (3,16 versus 2,2 pe scara Pauling ), atomul de siliciu al SiCl 4prezintă o stare de oxidare mai mare decât cea formală a SiH 4.
O metodă alternativă de producție se referă la silanul de foarte bună puritate destinat producției de siliciu de calitate electronică pentru industria semiconductoarelor . Acest proces folosește, de asemenea, siliciu metalurgic, precum și hidrogen și tetraclorură de siliciu. Aceasta implică o serie de redistribuții, cu subproduse care sunt reciclate în reacții și distilări , care pot fi rezumate după cum urmează:
Dacă + 2 H 2+ 3 MesSiCI 4⟶ 4 SiHCl 3 ; 2 SiHCI 3⟶ SiH 2 Cl 2+ MesSiCI 4 ; 2 SiH 2 Cl 2⟶ SiHCl 3+ SiH 3 CI ; 2 SiH 3 CI⟶ SiH 4+ SiH 2 Cl 2.Silanul astfel format poate fi descompus termic pentru a da siliciu și hidrogen de înaltă puritate într-o singură trecere .
Alte metode de producție pe bază de silan implică reducerea de tetrafluorura de siliciu Sif 4prin hidrură de sodiu NaH sau reducerea tetraclorurii de siliciu MesSiCI 4de hidrură de litiu aluminiu LiAlH 4. De asemenea , este posibil să se procedeze prin reducerea dioxidului de siliciu SiO 2sub aluminiu de hidrogen H 2într - un amestec de clorură de sodiu NaCI și clorură de aluminiu AlCb 3 la presiune ridicată:
3 SiO 2+ 6 H 2+ 4 Al ⟶ 3 SiH 4+ 2 Al 2 O 3.Chimiștii germani Heinrich Buff și Friedrich Woehler au descoperit silanul în 1857 printre alte produse formate prin reacția acidului clorhidric HCl cu silicură de aluminiu Al 4 Si 3 ; au numit compusul hidrogen silicic .
Pentru demonstrații la clasă, silanul poate fi produs prin încălzirea unui amestec de nisip și pulbere de magneziu pentru a obține silicură de magneziu Mg 2 Si, care poate fi apoi turnat în acid clorhidric. Siliciura˘ de magneziu reacționează cu acidul pentru a produce silan SiH 4, care formează bule care se ridică la suprafață și se aprind spontan la contactul cu aerul prin piroforicitate , sugerând un crepit de mici explozii. Putem considera această reacție ca o reacție eterogenă acid-bazică în măsura în care anionul silicidic Si 4– al structurii antifluorite (en) a Mg 2 Si poate servi ca bază Brønsted acceptând patru protoni .
4 HCI + Mg 2 Si⟶ SiH 4+ 2 MgCl 2.În general, metalele alcalino-pământoase formează silicide având stoichiometriile M II 2 Si, M II Si și M II Si 2. În toate cazurile, aceste substanțe reacționează cu acizii Brønsted pentru a produce hidruri de siliciu, a căror natură depinde de legăturile anionului Si din silicură. De exemplu, se poate forma silan SiH4 ., silani mai grei din seria omologă cu formula generală Si n H 2 n +2, hidruri de siliciu polimerice sau acid silicic [SiO x (OH) 4−2 x ] n. Astfel, M II Si, care conține un lanț de anioni Si 2– zigzag pe care fiecare Si are două dublete fără legătură capabile să accepte protoni, dă hidrură polimerică (SiH 2 ) x.
În cele din urmă, o metodă de producere a silanului la scară mică constă în reacția unui amalgam de sodiu cu diclorosilan SiH 2 Cl 2, care dă, pe lângă silan, hidruri de siliciu polimerizate (SiH) x.
În timp ce organosilanii au aplicații variate, silanul în sine este utilizat aproape exclusiv ca un precursor al siliciului pur, în special pentru industria semiconductoarelor . Fabricarea de module solare fotovoltaice ieftine a condus la un consum substanțial de silan pentru depunerea siliconului amorf hidrogenat (a-Si: H) depunere chimică cu vapori asistată de plasmă ( PECVD ) pe diferite substraturi, cum ar fi sticla , cristalele, metalele sau materialele plastice. .
Depunerea de siliciu de către PECVD este relativ ineficientă, deoarece folosește doar aproximativ 15% din silan, restul fiind pierdut. Au fost dezvoltate diferite metode de reciclare pentru a îmbunătăți eficiența procesului și a reduce amprenta sa de mediu .
Deoarece silanul este piroforic , scurgerile de gaz se aprind spontan, astfel încât au avut loc multe accidente fatale în fabrici ca urmare a incendiilor și a exploziilor. Arderea silanului la o concentrație scăzută va avea loc în două etape, cu oxidarea de hidrogen care are loc după formarea de dioxid de siliciu , dintre care condensarea ar accelera formarea apei sub efectul termic de feedback . Silanul diluat în gaze inerte, cum ar fi azotul sau argonul, este chiar mai probabil să se aprindă în aer decât silanul pur: chiar și un amestec de 1% silan în azot pur se aprinde cu ușurință. Diluarea silanului în hidrogen face posibilă reducerea riscurilor industriale în timpul producției de celule solare în siliciu amorf și are și avantajul de a stabiliza modulele solare fotovoltaice astfel produse prin limitarea efectului Staebler-Wronski ( WSE ).
Spre deosebire de metan , silanul este destul de toxic: doza letală mediană la șobolanii de laborator este de 0,96% (9600 ppm ) în patru ore. În plus, contactul cu ochiul poate forma acizi silicici care pot provoca iritații ale ochilor. US Institutul National pentru Securitate si Sanatate recomanda sa nu depaseasca o expunere ocupațională la silan de 5 ppm , sau 7 mg / m 3 , pe o opt ore medie ponderată.